POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki 2 Kod: ES1A500 037 Ćwiczenie nr 6 BADANIE REZYSTANCJI ZESTYKOWEJ Opracował: dr inż. Zbigniew Skibko 2013
2
1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest przedstawienie zależności rezystancji zestykowej od różnych czynników oraz ustalenie wartości tej rezystancji w torach głównych wybranych łączników. 2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE Aby stworzyć drogę dla przepływu prądu w jakimś obwodzie, należy zamknąć go przez zetknięcie końców przewodników w miejscu istniejącej przerwy. Te części obwodu, które dzięki wzajemnej styczności umożliwiają przepływ prądu nazywamy stykami, natomiast zespół współpracujących ze sobą styków zestykiem (rys. 1). Rys. 1. Zestyk: 1,2 styki, 1+2 zestyk, 3 miejsce styczności [2] Zestyki dzielimy na punktowe, liniowe i powierzchniowe, najczęściej płaskie (rys. 2). Rys. 2. Rodzaje zestyków: a) punktowy, b) liniowy, c) powierzchniowy [2] Podstawą tego podziału jest teoretyczny kształt powierzchni styczności. Jednak w rzeczywistości styczność dwu ciał nigdy nie następuje w punkcie, wzdłuż linii lub według jednolitej wielkiej powierzchni pojętych geometrycznie. Dlatego też zestyk punktowy jest to zestyk, w którym styczność elektryczna odbywa się na powierzchni o bardzo małym promieniu, zestyk liniowy jest to zestyk, w którym styczność rzeczywista odbywa się na kilku małych powierzchniach ułożonych w przybliżeniu wzdłuż pewnej linii prostej, natomiast zestyk powierzchniowy jest to zestyk, w którym styczność pozorna następuje na powierzchni wynikającej z geometrycznych wymiarów styków, a styczność rzeczywista na wielu małych powierzchniach dowolnie usytuowanych w obrębie pozornej powierzchni styczności. 3
Rezystancję zestykową można wyrazić wzorem: R z = R p + R w gdzie: R z rezystancja zestykową, (1) R p rezystancja dodatkowa spowodowana zagęszczeniem strug prądu w stykających się przewodach, rezystancja przewężenia, R w rezystancja warstwy gazów adsorbowanych pokrywającej stykające się powierzchnie, grubości 10-4-20 nm, oraz warstwy nalotowej grubości maksymalnej kilkudziesięciu nanometrów, zwykle tlenków metali o właściwościach izolacyjnych. Warstwą adsorbcyjną nazywa się cienką warstwę grubości równej co najmniej średnicy cząsteczki gazu, w którym znajduje się zestyk. Obliczeń rezystancji wymieniowych warstw w praktyce się nie wykonuje ze względu na znaczne trudności metrologiczne związane z wyznaczeniem ich grubości; wpływ zaś ich na rezystancję zestykową jest bardzo duży. Utlenianie się styków może powodować wielokrotne powiększanie się rezystancji zestykowej. Jest to spowodowane bardzo dużą rezystywnością tlenków metali przewodowych (tab. 1). Tabela 1. Rezystywność niektórych metali przewodowych i tlenków Temperatura Rezystywność Nazwa materiału C cm względna miedź 20 1,68 10-6 1 dwutlenek miedzi (Cu 2 O) 20 10 8 10 9 6 10 13 6 10 14 tlenek miedzi (CuO) 100 5,6 10 3 3,3 19 9 aluminium 20 2,62 10-6 1 trójtlenek aluminium (A1 2 O 3 ) 300 1,2 10 13 4,6 10 18 W rezystancji zestykowej powstają dodatkowe straty na ciepło Joule a, toteż pręt przecięty nagrzewa się do wyższej temperatury niż pręt jednolity (rys. 12.3). Płaszczyzny styków nie przylegają do siebie dokładnie (rys. 4a). Rzeczywiste zetknięcie nie występuje w punktach pojętych geometrycznie, lecz na pewnych niewielkich powierzchniach. Jak wynika z rysunku 4b prąd w miejscu zetknięcia się styków przepływa przez niewielkie powierzchnie rzeczywistej styczności. Powoduje to zagęszczenie strug prądu w pobliżu tych powierzchni, co jest przyczyną wystąpienia rezystancji przewężenia. 4
Rys. 3. Rozkład temperatury w pobliżu miejsca styczności (w stanie ustalonym) [2]: uo przyrost temperatury przewodu litego ponad temperaturę otoczenia, u przyrost temperatury przewodu ze stykiem ponad temperaturę otoczenia, uz przyrost temperatury zestyku ponad temperaturę otoczenia, ' uo przyrost temperatury zestyku ponad temperaturę przewodu litego Rys..4. Przepływ prądu przez zestyk: a) obraz zetknięcia się dwóch powierzchni stykowych (wielokrotnie powiększony), b) przewężenie strug prądu, S X -rzeczywiste elementarne powierzchnie styczności [2] Rezystancję zestykową wyznacza się z empirycznego wzoru: R z c ( 0,1 F) n gdzie: c stała zależna od własności materiału styków, stanu ich powierzchni itp. (tab. 2) [m N n ], F siła docisku zestykowego [N], (2) 5
n wykładnik potęgowy zależny od rodzaju zestyku: dla zestyków powierzchniowych n = 1,0; punktowych n = 0,5; liniowych n = 0,7. Ze względu na przebieg zależności R z od siły docisku można zalecić (rys. 5): w zakresie małych sił dociskowych - zestyki punktowe, w zakresie średnich wartości sił - zestyki liniowe, w zakresie bardzo dużych docisków - zestyki powierzchniowe. Rys. 5. Zależność rezystancji zestykowej od siły docisku zestyków: 1 zestyki punktowe, 2 zestyki liniowe, 3 zestyki powierzchniowe [2] Tabela 2. Wartości stałej c we wzorze (2) Materiał styków c mw N n miedź miedź 0,08-0,23 miedź cynkowa miedź cynkowa 0,10 miedź miedź cynkowa 0,07-0,10 srebro srebro 0,06 mosiądz mosiądz 0,67 mosiądz miedź 0,38 stal stal 7,6 stal mosiądz 3,04 stal miedź 3,1 aluminium aluminium 3-6.7 aluminium mosiądz 1,9 aluminium stal 4,4 Zestyki punktowe i liniowe są zwykle zestykami nierozłącznymi ruchomymi lub rozłącznymi, natomiast zestyki powierzchniowe są zestykami nierozłącznymi nieruchomymi. 6
Rezystancja zestykowa nie ma stałej wartości w czasie ze względu na utlenianie się powierzchni styków i grubienie warstwy nalotowej. Proces ten jest dodatkowo przyspieszony podwyższoną z reguły temperaturą zestyków. Jednocześnie wzrasta jednak natężenie pola elektrycznego w warstwie nalotowej i temperatura zestyku, co prowadzi do przebicia warstwy nalotowej. Rezystancja zestykowa maleje wówczas gwałtownie do wartości początkowej (rys. 6). Proces ten może się powtarzać wielokrotnie. Jeżeli grubość warstwy nalotowej będzie duża i nie nastąpi jej zniszczenie, to temperatura zestyku może podwyższyć się nadmiernie. Rys. 6. Zależność rezystancji zestykowej R z od czasu [2] Połączenia szynowe płaskowników powinny być tak wymiarowane, żeby rezystancja całkowita połączonych przewodów wraz z rezystancją zestykowa nie przekraczała rezystancji przewodu, którego długość odpowiada długości zestyku (rys. 7). Rys. 12.7. Zestyk nierozłączny przewodu szynowego: l długość zakładki, S = h l pozorna powierzchnia styczności [2] Powierzchnię zestyku zakładki płaskowników oblicza się z zależności: I S (3) j dop gdzie: I prąd przepływający przez zestyk [A], 7
Dla przewodów miedzianych: j dop dopuszczalna pozorna gęstość prądu zestyku. dla I < 200 A j dop = 0,31 A 2 mm, dla 200 A < I < 2000 A j dop = [0,31 1,05 (I 200) 10-4 ] A 2 mm, dla I > 2000 A j dop = 0,12 A 2 mm. Dla materiałów przewodowych innych niż miedź dopuszczalne gęstości pozorne wynoszą j dop j x dop Cu x gdzie: Cu rezystywność miedzi, x rezystywność dowolnego metalu. (4) W połączeniach nierozłącznych szyn stosuje się dociski 200 400 dan cm 2 dla miedzi oraz do 50 dan cm 2 dla aluminium. 3. PROGRAM ĆWICZENIA Badania (przy przepływie prądu stałego i przemiennego) należy wykonać w układzie przedstawionym na rysunku 8. Przed pomiarem powierzchnie stykowe należy starannie oczyścić drobnoziarnistym papierem ściernym. Rys. 8. Układ połączeń stanowiska do badań rezystancji zestykowej w funkcji siły docisku zestyków [2] 8
Ćwiczenie obejmuje: 1. Pomiar rezystancji zestykowej dla różnych sił docisku zestyków rozłącznych. Siłę dociskową powiększać co 0,2 do 20 dan a następnie zmniejszać do 0,2 dan. Pomiary należy wykonać dla prądu o wartości 12 A. Rezystancję zestykową wyznaczyć ze wzoru: U R Z I gdzie: U spadek napięcia na rezystancji zestykowej [V], (4) prąd przepływający przez zestyki w chwili pomiaru [A]. 2. Pomiar rezystancji zestykowej przy stałej sile docisku i różnych prądach obciążenia. Należy wykonać pomiary rezystancji zestyków dociskanych z siłą 20 dan podczas zwiększania a następnie zmniejszania natężenia prądu w granicach od 5 do 80 A. 3. Pomiar temperatury zestyków dla różnych sił docisku zestykowego. Zmierzyć temperaturę zestyków obciążonych prądem 30 A (w ciągu 5 min) przy sile dociskowej 5 dan i 20 dan. 4. Badanie rezystancji zestykowej wybranych łączników. Wyznaczyć rezystancję zestykowa oraz rezystancję całego toru bieguna podanych łączników niskiego napięcia. Pomiaru należy dokonać dla prądu o wartości równej znamionowemu prądowi ciągłemu łącznika. 4. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Sprawozdanie studenckie powinno zawierać: 1) cel ćwiczenia, 2) schematy układów pomiarowych, 3) wyniki badań zestawione w tabelach, 4) wykresy zależności rezystancji zestykowej w funkcji siły docisku R z = f(f) dla siły rosnącej i malejącej oraz obliczonej według wzoru (2), 5) dla każdej zmierzonej wartości rezystancji zestykowej należy obliczyć na podstawie wzoru (2) wartość stałej c i porównać jej wartość średnią z wartościami zestawionymi w tabeli 2, 6) wykresy zależności rezystancji zestykowej w funkcji prądu obciążenia przy stałej sile docisku, 7) wykresy zależności zależność temperatury zestyku w funkcji czasu dla stałej wartości prądu obciążenia i siły dociskowej, 8) wnioski. 9
We wnioskach należy zwrócić szczególną uwagę na omówienie otrzymanych w wyniku pomiarów wykresów. Ustalić czy można, z dostateczną dla praktyki dokładnością, wyznaczyć rezystancję zestykowa mierząc spadek napięcia na całym biegunie łącznika a nie na zestyku, co jest zwykle technicznie utrudnione oraz ustalić, czy rodzaj prądu i jego wartość ma wpływ na wynik pomiarów. 5. LITERATURA 1. Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, WNT, Warszawa 2013, 2. Lejdy B.: Laboratorium urządzeń elektroenergetycznych, WPB, Białystok 1999, 3. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2012, 4. Poradnik Inżyniera Elektryka, praca zbiorowa, WNT, Warszawa 2011, 6. WYMAGANIA BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad: 1. Przed przystąpieniem do badań należy dokonać oględzin przydzielonej aparatury i urządzeń. Stwierdzone uszkodzenia powinny być zgłaszane prowadzącemu ćwiczenia. 2. Ze stanowiska pomiarowego należy usunąć wszelkie zbędne przedmioty a zwłaszcza niepotrzebne przewody montażowe. 3. Włączenie badanego układu do napięcia może odbywać się jedynie w obecności i za zgodą prowadzącego ćwiczenia, po sprawdzeniu przez niego układu. Przed załączeniem układu trzeba upewnić się, czy nikt nie manipuluje przy układzie pomiarowym. Za uszkodzenie przyrządów i inne straty wynikłe z winy ćwiczących odpowiadają oni materialnie. 4. Po załączeniu napięcia nie wolno wykonywać żadnych przełączeń w układzie. Rozmontowanie i ewentualne przełączenia mogą być robione po wyłączeniu napięcia i za zgodą prowadzącego ćwiczenia. 5. Podczas wykonywania ćwiczenia należy unikać stykania się z wszelkiego rodzaju dobrze uziemionymi przewodzącymi przedmiotami, takimi jak i kaloryfery, instalacje wodociągowe itp. 6. Wykonywanie ćwiczeń może odbywać się tylko na stanowisku wskazanym przez prowadzącego. Nie wolno używać innego sprzętu i aparatów niż te, które przydzielił prowadzący ćwiczenia. 7. Niedozwolona jest samowolna obsługa rozdzielnic głównych w laboratorium, a zwłaszcza załączanie napięcia na stanowiska pomiarowe. 10